CN115189374A - 光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统及方法。在并网点的电网侧和负荷侧的火线上分别设有电流变送器，负荷侧的火线上分别设有电压变送器，每相火线上的两个电流变送器和电压变送器与一个模数转换器连接，模数转换器与PLC连接，PLC通过RS485集线器与逆变系统连接，逆变系统输出端连接火线，逆变系统输入端与光伏电池充电控制器连接，光伏电池充电控制器与蓄电池和光伏板连接。本发明在分布式光伏电源并网发电的同时，使其动态适应三相不平衡负荷，并独立控制光伏各相输出功率，来对三相不平衡负荷进行补偿治理，提高新能源消纳能力和光伏系统灵活经济运行程度，达到提高电能质量、降低能耗的目的。

Description

光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统及方法

技术领域

本发明涉及一种并网三相不平衡治理系统及方法，尤其涉及一种光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统及方法。

背景技术

我国低压配电网（LVDN：Low-Voltage DistributionNetwork）采用三相四线制的接线方式，由于 LVDN管理不完善以及缺少前瞻性规划，存在参数不对称、负荷三相不平衡等问题。随着人们生活水平的提高，负荷需求逐渐增长，同时单相分布式光伏的广泛接入，进一步地加剧了 LVDN 的三相不平衡度，给配电网的电压质量和线损管理带来了诸多挑战，甚至影响到 LVDN 的运行安全性。现在应对LVDN 的三相不平衡相应的措施可分为 2类。一类措施是负荷侧控制，通过算法进行相序分配并结合换相装置进行换相，实现负荷的均匀分布然，而低压台区的负荷众多，但需要采用较多的换相开关，投资大；另外，换相过程难免产生电压闪变问题，换相失败也将造成负荷停电，对用户设备和用电体验有负面的影响。另一类措施是系统侧控制，主要通过有载调压变压器的调节、负荷重构、光伏逆变器的功率控制等方法，对 LVDN 进行协调控制。

而光伏发电单元的并网效率在三相负载平衡时达到最大，即所发电能以均衡的三相功率注入电网；而在三相负载不平衡时的并网效率由于交换功率的存在使得系统容量不能完全为光伏发电单元所利用而降低了并网发电效率。

发明内容

为解决上述技术问题本发明提供一种光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统及方法,目的是利用分别独立可控的各相并网注入功率方式改善低压电网三相负载不平衡情况。

为达上述目的本发明光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统，在并网点的电网侧和负荷侧的火线上分别设有电流变送器，负荷侧的火线上分别设有电压变送器，每相火线上的两个电流变送器和电压变送器与一个模数转换器连接，模数转换器与PLC连接，PLC通过RS485集线器与逆变系统连接，逆变系统输出端连接火线，逆变系统输入端与光伏电池充电控制器连接，光伏电池充电控制器与蓄电池和光伏板连接。

所述的逆变系统包括A相逆变器、B相逆变器和C相逆变器，A相逆变器、B相逆变器和C相逆变器的输出端分别与第一交流接触器连接后接到并网点，第一交流接触器的控制线圈输入端与PLC连接。

所述的光伏电池充电控制器与光伏板之间设有第二交流接触器，第二交流接触器的控制线圈输入端与PLC连接。

所述的光伏电池充电控制器与蓄电池之间设有第三交流接触器，第三交流接触器的控制线圈输入端与PLC连接。

所述的光伏电池充电控制器与逆变系统之间设有第四交流接触器，第四交流接触器的控制线圈输入端与PLC连接。

所述的PLC型号为FX3U48MR。

所述的A相火线上设有第一电流变送器和第四电流变送器，B相火线上设有第二电流变送器和第五电流变送器，C相火线上设有第三电流变送器和第六电流变送器，第一电流变送器和第四电流变送器与第一模数转换器连接，第二电流变送器和第五电流变送器与第二模数转换器连接，第三电流变送器和第六电流变送器与第三模数转换器连接，第一模数转换器与第三电压变送器连接，第三电压变送器与负荷侧A相火线连接，第二模数转换器与第二电压变送器连接，第二电压变送器与负荷侧B相火线连接，第三模数转换器与第一电压变送器连接，第一电压变送器与负荷侧C相火线连接。

光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统的治理方法,电压变送器和电流变送器将并网点三相电压、电网侧三相电流和负荷侧三相电流通过模数转换后传至PLC，得出并网点电网侧三相功率、负荷侧三相功率及各自负荷不平衡度，PLC判断负荷侧三相功率不平衡度是否大于设定值，若负荷侧三相功率不平衡度小于设定值，则启动光伏并网模式三相输出功率均衡分配，PLC向逆变系统发送数据，改变逆变器输出功率，三台逆变器同时向电网输送相同功率，其值为光伏电池容量的三分之一；若负荷侧三相功率不平衡度大于设定值，则判断电网侧不平衡度是否大于设定值，如果小于，说明现在系统已按最优方式保证三相功率平衡，保持各直流电源及逆变器并网状态和输出功率即可，如果电网侧不平衡度大于设定值，说明系统仍不平衡，则对输出功率进行调节。

所述的三台逆变器同时向电网输送相同功率后，进行定时等待，等待再次进入下一次PLC判断负荷侧三相功率不平衡度是否大于设定值。

所述的电网侧不平衡度大于设定值时，首先判断负荷侧的功率最大相、中间相和最小相，负荷侧的功率最大相为α相、功率中间相为β相、功率最小相为γ相，那么向最大相输出功率的逆变器为α相逆变器，向中间相输出功率的逆变器为β相逆变器，向最小相输出功率的逆变器为γ相逆变器，计算δ=α相与β相差值；ε=α相与γ相差值；ζ =β相与γ相差值；

若δ≥S，即负荷侧的最大相功率与中间相功率差值大于等于光伏电池容量，PLC向逆变器发送数据，改变α相逆变器的输出功率为光伏电池容量，其β相逆变器和γ相逆变器逆变功率为0；

若δ＜S，即最大相功率与中间相功率差值小于光伏电池容量，判断ε+ζ与S的大小；

如果ε+ζ≥S，PLC向逆变器发送数据，改变α相逆变器逆变功率为δ，则剩余可用容量为RES1=S-δ，PLC向逆变器发送数据，将剩余可用容量RES1平均分配给α相逆变器和β相逆变器，即α相逆变器为δ+RES1/2，β相逆变器逆变功率RES1/2，γ相逆变器逆变功率为0；

如果ε+ζ＜S，PLC向逆变器发送数据，改变β相逆变器输出功率为ζ，α相逆变器逆变功率为ε，则剩余可用容量为RES1=S-(ε+ζ)，PLC向逆变器发送数据，将剩余可用容量RES1平均分配给A相逆变器、B相逆变器和C相逆变器，即每相增加逆变功率RES1/3，即α相逆变器为ε+RES1/3，β相逆变器逆变功率为ζ+RES1/3，γ相逆变器逆变功率为RES1/3。

本发明的优点效果：本发明解决配电网三相负荷不平衡问题，在分布式光伏电源并网发电的同时，使其动态适应三相不平衡负荷，并独立控制光伏各相输出功率，来对三相不平衡负荷进行补偿治理，提高新能源消纳能力和光伏系统灵活经济运行程度，达到提高电能质量、降低能耗的目的。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是本发明的电气连接示意图。

图3是本发明PLC与RS485连接示意图。

图中：1、PLC；2、RS485集线器；3、逆变系统；31、A相逆变器；32、B相逆变器；33、C相逆变器；4、光伏电池充电控制器；5、蓄电池；6、光伏板；7、第一电流变送器；8、第二电流变送器；9、第三电流变送器；10、第四电流变送器；11、第五电流变送器；12、第六电流变送器；13、第三模数转换器；14、第二模数转换器；15、第一模数转换器；16、第三电压变送器；17、第二电压变送器；18、第一电压变送器；19、触摸屏显示器；20、控制按钮；21、指示灯；KM0、第一交流接触器；KM1、第二交流接触器；KM2、第三交流接触器；KM3、第四交流接触器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2-3所示，本发明光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统，在并网点的电网侧和负荷侧的火线上分别设有电流变送器，负荷侧的火线上分别设有电压变送器，每相火线上的两个电流变送器和电压变送器与一个模数转换器连接，模数转换器与PLC1连接，PLC1通过RS485集线器2与逆变系统3连接，逆变系统3输出端连接火线，逆变系统3输入端与光伏电池充电控制器4连接，光伏电池充电控制器4与蓄电池5和光伏板6连接。

所述的逆变系统3包括A相逆变器31、B相逆变器32和C相逆变器33，A相逆变器31、B相逆变器32和C相逆变器33的输出端分别与第一交流接触器KM0连接后接到并网点，第一交流接触器KM0的控制线圈输入端与PLC1连接，A相逆变器31、B相逆变器32和C相逆变器33分别与零线连接构成回路。

所述的光伏电池充电控制器4与光伏板6之间设有第二交流接触器KM1，第二交流接触器KM1的控制线圈输入端与PLC1连接。

所述的光伏电池充电控制器4与蓄电池5之间设有第三交流接触器KM2，第三交流接触器KM2的控制线圈输入端与PLC1连接。

所述的光伏电池充电控制器4与逆变系统3之间设有第四交流接触器KM3，第四交流接触器KM3的控制线圈输入端与PLC1连接。

所述的PLC1型号为FX3U48MR，RS485集线器2为光电隔离RS485集线器，RS485集线器2连接有触摸屏显示器19，采用三菱GS2107-WTBD系列，PLC1与2个控制按钮20与6个指示灯21连接，用于启停设备、显示系统运行状态与故障指示，当正常运行时，屏幕显示各装置运行参数及状态，相应状态指示灯亮起，当出现异常事故，停止运行，屏幕显示故障位置，相应故障指示灯亮起。

所述的A相火线上设有第一电流变送器7和第四电流变送器10，B相火线上设有第二电流变送器8和第五电流变送器11，C相火线上设有第三电流变送器9和第六电流变送器12，第一电流变送器7和第四电流变送器10与第一模数转换器15连接，第二电流变送器8和第五电流变送器11与第二模数转换器连接14，第三电流变送器9和第六电流变送器12与第三模数转换器13连接，第一模数转换器15与第三电压变送器16连接，第三电压变送器16与负荷侧A相火线连接，第二模数转换器14与第二电压变送器17连接，第二电压变送器17与负荷侧B相火线连接，第三模数转换器13与第一电压变送器18连接，第一电压变送器18与负荷侧C相火线连接。

如图1所示，光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统的治理方法,电压变送器和电流变送器将并网点三相电压、电网侧三相电流和负荷侧三相电流通过模数转换后传至PLC，得出并网点电网侧三相功率、负荷侧三相功率及各自负荷不平衡度，其中A为并网点负荷侧A相功率、B为并网点负荷侧B相功率、C为并网点负荷侧C相功率、X为并网点电网侧A相功率、Y为并网点电网侧B相功率、C为并网点电网侧C相功率、U为负荷侧三相不平衡度和W为电网侧三相不平衡度。

PLC判断负荷侧三相功率不平衡度是否大于设定值，若负荷侧三相功率不平衡度小于设定值，则启动光伏并网模式三相输出功率均衡分配，PLC向逆变系统发送数据，改变逆变器输出功率，三台逆变器同时向电网输送相同功率，其值为光伏电池容量的三分之一；若负荷侧三相功率不平衡度大于设定值，则判断电网侧不平衡度是否大于设定值，如果小于，说明现在系统已按最优方式保证三相功率平衡，保持各直流电源及逆变器并网状态和输出功率即可，如果电网侧不平衡度大于设定值，说明系统仍不平衡，则对输出功率进行调节，调节完后进行定时等待，定时为1分钟，等待再次进入下一次PLC判断负荷侧三相功率不平衡度是否大于设定值。

所述的三台逆变器同时向电网输送相同功率后，进行定时等待，定时为30秒，等待再次进入下一次PLC判断负荷侧三相功率不平衡度是否大于设定值。

所述的电网侧不平衡度大于设定值时，首先判断负荷侧的功率最大相、中间相和最小相，负荷侧的功率最大相为α相、功率中间相为β相、功率最小相为γ相，那么向最大相输出功率的逆变器为α相逆变器，向中间相输出功率的逆变器为β相逆变器，向最小相输出功率的逆变器为γ相逆变器，计算δ=α相与β相差值；ε=α相与γ相差值；ζ =β相与γ相差值；

若δ≥S，即负荷侧的最大相功率与中间相功率差值大于等于光伏电池容量，PLC向逆变器发送数据，改变α相逆变器的输出功率为光伏电池容量，其β相逆变器和γ相逆变器逆变功率为0；

若δ＜S，即最大相功率与中间相功率差值小于光伏电池容量，判断ε+ζ与S的大小；

如果ε+ζ≥S，PLC向逆变器发送数据，改变α相逆变器逆变功率为δ，则剩余可用容量为RES1=S-δ，PLC向逆变器发送数据，将剩余可用容量RES1平均分配给α相逆变器和β相逆变器，即α相逆变器为δ+RES1/2，β相逆变器逆变功率RES1/2，γ相逆变器逆变功率为0；

如果ε+ζ＜S，PLC向逆变器发送数据，改变β相逆变器输出功率为ζ，α相逆变器逆变功率为ε，则剩余可用容量为RES1=S-(ε+ζ)，PLC向逆变器发送数据，将剩余可用容量RES1平均分配给A相逆变器、B相逆变器和C相逆变器，即每相增加逆变功率RES1/3，即α相逆变器为ε+RES1/3，β相逆变器逆变功率为ζ+RES1/3，γ相逆变器逆变功率为RES1/3。

本发明的工作原理：在三相四线制低压配电网在规划之初，设计者通常是以各相所带单相负荷基本相等而进行设计，虽然在运行过程中负荷的随机性导致了三相不平衡的情况，但是在允许范围内的三相不平衡负荷并不会对电网的运行造成严重的影响。因此，实际运行过程中若在光储并网系统的控制策略里加入起调判据，则可以达到在负荷三相不平衡情况超过允许范围时进行调整，而在允许范围内时光伏发电单元能够以较高的效率进行并网发电。

在三相四线制的农村低压配电网中，相较于三相电压不平衡的情况，三相电流的不平衡问题表现的更为突出，由于负载的随机性与三相不对称性、电力线路参数的不对称性以及单相并网型分布式电源接入等多方面因素，最后导致三相间电流的差异可能会出现相较与电压不平衡更为明显的差异。

一般在工程实际中，应用数学的计算方法，在计算后的出配电线路首端的三相平均负荷电流，并在此基础上，继续计算得到三相负荷电流对应的三相不平衡度是目前所常用的方法之一。具体公式如下：

三相电流不平衡度的计算公式如下：

，式中表示为 A、B、C 三相负荷电流中的最大值。

所以整个系统由PLC进行控制，其主要作用是，监测并网点两侧电压电流，并计算出电网侧功率、负荷侧功率、逆变系统并网功率，最后控制逆变系统进行并网。

本发明逆变系统的并网功率的由PLC经过RS485通讯进行控制，对于RS485通讯采用光电隔离实现通讯信号的隔离和放大来增强其抗干扰能力。

当PLC判断出光伏发电单元需要进行并网供电时，会首先发出指令控制第一交流接触器KM0闭合，使逆变系统与电网连接进行开机操作，同时通过RS485通讯向逆变系统发出指令以控制逆变系统并网输出功率。

系统运行后，由电压、电流变送器将变换后的电网电压、电网侧三相电流和负荷侧三相电流模拟量参数变换为数字量参数后，传至PLC内部，通过数据处理得到实际电压、电流值，得出并网点电网侧三相功率、负荷侧三相功率及各自负荷不平衡度，存至PLC内部数据寄存器，并显示在触摸屏上，等待下一步指令。

经过PLC对各电压电流信号的采集和处理，将光伏阵列接收太阳能转化为直流电能提供给单相并网逆变器，并网逆变器通过内部调整以获得最大功率采集，再转换为符合低压电网市电标准的交流电能，或提供给储能系统进行储能。

Claims (10)

1.光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统,其特征在于在并网点的电网侧和负荷侧的火线上分别设有电流变送器，负荷侧的火线上分别设有电压变送器，每相火线上的两个电流变送器和电压变送器与一个模数转换器连接，模数转换器与PLC连接，PLC通过RS485集线器与逆变系统连接，逆变系统输出端连接火线，逆变系统输入端与光伏电池充电控制器连接，光伏电池充电控制器与蓄电池和光伏板连接。

2.根据权利要求1所述的光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统,其特征在于所述的逆变系统包括A相逆变器、B相逆变器和C相逆变器，A相逆变器、B相逆变器和C相逆变器的输出端分别与第一交流接触器连接后接到并网点，第一交流接触器的控制线圈输入端与PLC连接。

3.根据权利要求1所述的光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统,其特征在于所述的光伏电池充电控制器与光伏板之间设有第二交流接触器，第二交流接触器的控制线圈输入端与PLC连接。

4.根据权利要求1所述的光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统,其特征在于所述的光伏电池充电控制器与蓄电池之间设有第三交流接触器，第三交流接触器的控制线圈输入端与PLC连接。

5.根据权利要求1所述的光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统,其特征在于所述的光伏电池充电控制器与逆变系统之间设有第四交流接触器，第四交流接触器的控制线圈输入端与PLC连接。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统,其特征在于所述的PLC型号为FX3U48MR。

7.根据权利要求1所述的光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统,其特征在于所述的A相火线上设有第一电流变送器和第四电流变送器，B相火线上设有第二电流变送器和第五电流变送器，C相火线上设有第三电流变送器和第六电流变送器，第一电流变送器和第四电流变送器与第一模数转换器连接，第二电流变送器和第五电流变送器与第二模数转换器连接，第三电流变送器和第六电流变送器与第三模数转换器连接，第一模数转换器与第三电压变送器连接，第三电压变送器与负荷侧A相火线连接，第二模数转换器与第二电压变送器连接，第二电压变送器与负荷侧B相火线连接，第三模数转换器与第一电压变送器连接，第一电压变送器与负荷侧C相火线连接。

8.根据权利要求1所述的光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统的治理方法,其特征在于电压变送器和电流变送器将并网点三相电压、电网侧三相电流和负荷侧三相电流通过模数转换后传至PLC，得出并网点电网侧三相功率、负荷侧三相功率及各自负荷不平衡度，PLC判断负荷侧三相功率不平衡度是否大于设定值，若负荷侧三相功率不平衡度小于设定值，则启动光伏并网模式三相输出功率均衡分配，PLC向逆变系统发送数据，改变逆变器输出功率，三台逆变器同时向电网输送相同功率，其值为光伏电池容量的三分之一；若负荷侧三相功率不平衡度大于设定值，则判断电网侧不平衡度是否大于设定值，如果小于，说明现在系统已按最优方式保证三相功率平衡，保持各直流电源及逆变器并网状态和输出功率即可，如果电网侧不平衡度大于设定值，说明系统仍不平衡，则对输出功率进行调节。

9.根据权利要求1所述的光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统的治理方法,其特征在于所述的三台逆变器同时向电网输送相同功率后，进行定时等待，等待再次进入下一次PLC判断负荷侧三相功率不平衡度是否大于设定值。

10.根据权利要求1所述的光储供电与动态功率调节的三相不平衡治理系统的治理方法,其特征在于所述的电网侧不平衡度大于设定值时，对输出功率进行调节：首先判断负荷侧的功率最大相、中间相和最小相，负荷侧的功率最大相为α相、功率中间相为β相、功率最小相为γ相，那么向最大相输出功率的逆变器为α相逆变器，向中间相输出功率的逆变器为β相逆变器，向最小相输出功率的逆变器为γ相逆变器，计算δ=α相与β相差值；ε=α相与γ相差值；ζ =β相与γ相差值；

若δ≥S，即负荷侧的最大相功率与中间相功率差值大于等于光伏电池容量，PLC向逆变器发送数据，改变α相逆变器的输出功率为光伏电池容量，其β相逆变器和γ相逆变器逆变功率为0；

若δ＜S，即最大相功率与中间相功率差值小于光伏电池容量，判断ε+ζ与S的大小；

如果ε+ζ≥S，PLC向逆变器发送数据，改变α相逆变器逆变功率为δ，则剩余可用容量为RES1=S-δ，PLC向逆变器发送数据，将剩余可用容量RES1平均分配给α相逆变器和β相逆变器，即α相逆变器为δ+RES1/2，β相逆变器逆变功率RES1/2，γ相逆变器逆变功率为0；

如果ε+ζ＜S，PLC向逆变器发送数据，改变β相逆变器输出功率为ζ，α相逆变器逆变功率为ε，则剩余可用容量为RES1=S-(ε+ζ)，PLC向逆变器发送数据，将剩余可用容量RES1平均分配给A相逆变器、B相逆变器和C相逆变器，即每相增加逆变功率RES1/3，即α相逆变器为ε+RES1/3，β相逆变器逆变功率为ζ+RES1/3，γ相逆变器逆变功率为RES1/3。

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